Towards Spin-Polarized Electron Beams from a Laser-Plasma Accelerator

Abstract

The LEAP (Laser Electron Acceleration with Polarization) project at DESY is a proof- of-principle experiment aiming to demonstrate the generation – thus also the transport – of spin-polarized electron beams from a laser-plasma accelerator (LPA). This is expected to be achieved using a pre-polarized plasma source, generated via the photodissociation of HCl molecules with an ultraviolet (UV) dissociation laser. Compton transmission polarimetry is envisioned for polarization measurements, inferring electron polarization from the transmission asymmetry of bremsstrahlung photons through magnetized iron. This thesis explores three key aspects of LEAP, focusing on development an experimental realization. First, a feasibility study was conducted to generate the UV dissociation laser via cascaded second-harmonic generation in two beta-barium borate crystals directly from the LPA driver laser. A measured conversion efficiency of η(ω→4ω) ≈ 0.8 % into the UV demonstrates the feasibility of this approach. Second, a homogeneous Cherenkov lead-glass calorimeter was built as an integral part of the LEAP Compton transmission polarimeter. Furthermore, it was tested and calibrated with single electrons at the DESY II Test Beam Facility. The derived calorimeter energy resolution of σE/⟨E⟩ < 2 % at TeV-scale total energies meets the requirement for its application within the LEAP polarimeter. GEANT4 simulations indicate a nonlinear calorimeter response to low-energy particles (< 10 MeV). The uncertainty of this response introduces a relative uncertainty of ∼ 1.5 % on the simulated analyzing power of the polarimeter. Finally, the full polarimeter setup, consisting of a solenoid magnet and the Cherenkov calorimeter, was commissioned at the FLARE facility using an unpolarized LPA electron beam. Initial system tests, beam charge and energy characterization, and operational polarization measurements were conducted. Simulations determined the analyzing power of the system to be A = 11.74 ± 0.18 % ( ∆A/A = 1.6 %) with the dominant uncertainty arising from the calorimeter response. The actual measurement was found to be primarily influenced by beam stability and control. In particular, observed asymmetries - unrelated to beam polarization - can be explained by potential energy drifts. Extrapolation to realistic polarization measurements indicates that shot-to-shot charge and energy stability must be provided at the ≤ 1 % level to enable reliable polarization measurements.

Das LEAP-Projekt (Laser Electron Acceleration with Polarization) am DESY zielt darauf ab, erstmals die Erzeugung – und damit auch den Transport – von spin-polarisierten Elektronenstrahlen mittels eines Laser-Plasma Beschleunigers (LPA) zu demonstrieren. Dies soll durch die Verwendung einer vorpolarisierten Plasmaquelle erreicht werden, die mittels Photodissoziation von HCl-Molekülen mit einem ultravioletten (UV) Dissoziationslaser erzeugt wird. Die Polarisationsmessung basiert auf Compton-Transmissionspolarimetrie. Bei dieser Metode wird die Elektronenpolarisation aus der polarisationsabhängigen Asymmetrie der Transmission von von Bremsstrahlungsphotonen durch magnetisiertes Eisen bestimmt. In dieser Arbeit wurden drei zentrale Aspekte des LEAP-Projekts untersucht. Erstens wurde eine Machbarkeitsstudie zur Erzeugung des UV Dissoziationslasers durch kaskadierte Frequenzverdopplung des LPA-Treiberlasers mittels zweier Beta-Barium Borat Kristalle durchgeführt. Die gemessene Konversionseffizienz von etwa η(ω→4ω) ≈ 0.8 % ins UV bestätigt die Umsetzbarkeit dieses Konzepts. Zweitens wur de ein homogenes Tscherenkow-Bleikristall-Kalorimeter als integraler Bestandteil des LEAP-Polarimeters konstruiert und mittels einzelner Elektronen vom DESY II Teststrahl getestet und kalibriert. Die ermittelte Energieauflösung von σE/⟨E⟩ < 2 % bei TeV-Gesamtenergien erfüllt die Anforderungen für den Einsatz im LEAP-Polarimeter. GEANT4-Simulationen zeigen eine nichtlineare Kalorimeterantwort für niederenergetische Teilchen (< 10 MeV). Die Unsicherheiten dieser Kalorimeterantwort führen zu einer relativen Unsicherheit von etwa 1.5% in der simulierten Analysierstärke des Polarimeters. Drittens wurde das vollständige Polarimeter, bestehend aus einem Solenoidmagneten und dem Tscherenkow-Kalorimeter, im FLARE Labor am DESY mit einem unpolarisierten LPA-Elektronenstrahl in Betrieb genommen. Dabei wurden erste Systemtests, Strahlcharakterisierungen und Polarisationsmessungen durchgeführt. Simulationen bestimmten die Analysierstärke des Systems zu A = 11.74 ± 0.18 % ( ∆A\A = 1.6 %), wobei die größte Unsicherheit aus der Kalorimeterantwort resultiert. Die eigentliche Messung wurde jedoch hauptsächlich durch Strahlstabilität und -kontrolle beeinflusst, insbesondere durch mutmaßliche Energiedrifts, die signifikante Schein-Asymmetrien erzeugten. Eine Extrapolation auf realistische Polarisationsmessungen zeigt, dass eine Schuss-zu-Schuss-Stabilität von Ladung und Energie von ≤ 1 % erreicht werden muss, um verlässliche Polarisationsmessungen zu ermöglichen.